7 Supraleitung, supraleitende Permanentmagnete

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7
Supraleitung, supraleitende Permanentmagnete, Magnetschwebebahn
F 7.1
7.1
Grundlagen der Supraleitung
F 7.2
1908 Verflüssigung von He durch Onnes (Univ. Leiden)
⇒ Erschließung des T-Bereichs 1-10K: Restwiderstand↓ von Pt, Au mit Reinheitsgrad↑
⇒ Reinigung von Hg durch mehrfache Destillation
Erwartung:
R → 0 unterhalb des Siedepunktes von He
Überraschung: R fällt etwas unterhalb von 4.2K sprunghaft auf einen unmeßbar kleinen Wert,
d.h. das Material geht in den „supraleitenden“ Zustand über.
1913 Nobelpreis an Onnes
1972 Nobelpreis an Bardeen, Cooper und Shrieffer für QM-Theorie der SL (BCS-Theorie)
1986 Nobelpreis an Müller und Bednorz für Entdeckung der HT-SL
2 Elektronen mit entgegengesetztem Spin und Impuls bilden „Cooper-Paar“ (CP),
Kohärenzlänge ≈ 100-1000 nm, Kopplung der Elektronen erfolgt über Deformation des
Atomgitters (Elektron-Phonon-Kopplung)
F 7.3
Anziehung der positiv geladenen Ionenrümpfe durch Elektron ⇒ Polarisation , die 2. Elektron
spürt, WW über virtuelle Phononen.
CP: Gesamtspin = 0, Gesamtimpuls = 0, Bose-Teilchen
⇒ CP unterliegen nicht Pauliprinzip
⇒ alle CP können tiefstmöglichen QM-Zustand einnehmen
⇒ keine störende WW mit Gitter, d.h. widerstandslose Bewegung
Paarkorrelation ergibt feste WW-Energie, Energieabsenkung
⇒ an der Fermi-Grenze entsteht Energielücke.
⇒ Aufbrechen der CP durch
- thermische Anregung:
T > Tc
- hohen Strom:
J > Jc
- hohes Magnetfeld:
B > Bc
F 7.4
Größen voneinander unabhängig, beschreiben Bereich innerhalb dessen SL möglich ist.
F 7.5-7.6
Aus dem Inneren eines SL wird Magnetfeld immer verdrängt: idealer Diamagnet (MeissnerOchsenfeld-Effekt).
2
F 7.7
SL 1. Art:
SL 2. Art:
SL → NL sprunghaft mit H↑
SL → NL kontinuierlich mit H↑
B > Bc1: Eindringen von magnetischem Fluß, quantisiert in Form von
Flußschläuchen (NL-Bereiche) mit magnetischem Flußquant Φ0 = h/2e
B > Bc2: NL
F 7.8
B↑
idealer SL 2. Art:
Nicht-idealer SL 2. Art:
Flußschläuche verschwinden wieder
Flußschläuche sind gepinnt (SL 3. Art od. Harte SL)
⇒ Hysterese, Remanenzfelder
Pinningzentren: Defekte, NL-Ausscheidungen
F 7.9
Remanenzfeld erzeugt Strom: J ~ dB/dr ≈ B0/R
J < Jc, damit SL erhalten bleibt
⇒ Jc muß erhöht werden
⇒ scharfe Textur, im Fall von HT-SL
F 7.10-7.14
7.2
-
Anwendungen
Verlustfreier Stromtransport, 15% weniger Energieverlust
SL-Magnete
Magnetfeld 10T in Spule 10 cm Höhe, 4 cm Innendurchmesser
SL bei 4.2K erfordert ≈100 W Kühlleistung
NL
≈ 5 MW Kühlleistung (wesentlich voluminöser)
Nb3Sn mit Jc(5T, 4.2K) ≈ 106A/cm2: 20 T Dauerbetrieb
Einsatzgebiete:
Labormagnete
Fusionsreaktoren
Teilchenbeschleuniger
Medizin: magnetische Tomographie
F 7.15-7.20
Magnetschwebebahn (Transrapid: http//www.maglev.com)